5
Monitoring the Surface Temperature on Curing Epoxy Resin Samples Highend thermography with the VarioCAM® HD research 800 InfraTec GmbH Infrarotsensorik und Messtechnik Gostritzer Straße 61 – 63 01217 Dresden / GERMANY Phone +49 351 82876610 Fax +49 351 82876543 Email [email protected] www.InfraTec.eu Headquarters InfraTec infrared LLC 5048 Tennyson Pkwy. Plano TX 75024 / USA Phone +1 8442263722 (toll free) Email thermo@InfraTecinfrared.com www.InfraTecinfrared.com USA office © InfraTec 01/2020 (All the stated product names and trademarks remain in property of their respective owners.) Page 1 Epoxy resin systems are mostly used as a matrix material in fibre composites. In a variety of manufacturing processes, the corresponding resin system is processed in a flowable state. The material only acquires its rigidity in a subsequent curing process. This is characterized by an exothermic chemical reaction with a pronounced temperature dependence. Clausthal University of Technology Institute of Applied Mechanics Dipl.Ing. Leistner, Chris; Prof. Dr.Ing. Hartmann, Stefan www.itm.tuclausthal.de Infrared camera: VarioCAM® HD research 800 During the curing process, a polymer with a strongly crosslinked structure – also called a thermoset – is formed. Polymers generally have low thermal conductivity. Particularly in the case of thickwalled components, these properties lead to an inhomogeneous temperature distribution with hotspots. This entails the risk that the material properties of the polymers deteriorate, for example, their strength decreases, porosity increases, or they even ignite. In addition, the crosslinking curing reaction of epoxy resins is accompanied by a volumetric shrinkage of the material. This can sometimes cause strong mechanical residual stresses in the material, which can lead to the failure of the component before the actual loading. A precise numerical prediction of the temperature development in components is essential in order to develop suitable temperature controls in the manufacturing process of fibre composite components. The Institute of Applied Mechanics of Clausthal University of Technology develops mathematical models based on a wide range of experimental studies. These material models reflect the mechanical, thermal, and in this case, the chemical behaviour of the polymer. Implemented in finite element software, they enable the prediction of the process or component behaviour. Against the background of the aforementioned challenges to process control in the production of fibre composite components, Dipl.Ing. Chris Leistner and his colleagues at the Institute of Applied Mechanics, among other topics, examined the pure epoxy resin system as part of their tests. They use temperature measurements on epoxy resin samples during curing in order to validate the model. Selfdeveloped Measurement Scenario The curing of epoxy resin systems is often monitored by a contact temperature measurement. Temperatures inside the component can be recorded by thermocouples, but can only be determined locally. In addition, such methods always have an influence on the measurement object. Thermography systems, on the other hand, measure nonreactive and provide detailed surface temperatures. This qualifies them excellently for model validation when using hotcuring epoxy resin samples. "We have developed a special test setup for this application," says Dipl.Ing. Chris Leistner. "In addition, the geometry and the boundary conditions of the experiment must be specified as precisely as possible." The scientists use a cylindrical sample container made of aluminium as a cavity, which is filled with a previously mixed epoxy resin system (see Fig. 1). The heat supply required for the curing takes place via the outer surfaces of the aluminium container. To ensure a temperature that is as constant as possible on these surfaces, the sample container is embedded in an aluminium block preheated to a fixed temperature, which serves as a heat accumulator. Heatconducting paste, applied to the contact surfaces, lowers the thermal transfer resistance between the two parts. The thermography system is aligned at right angles to the surface of the epoxy resin sample by means of a tripod (see Fig. 1). The measurement of

Infratec R-TU clausthal curing of epoxy resins · 2020. 4. 28. · ‐clausthal.de Infrared camera: VarioCAM® HD research 800 During the curing process, a polymer with a strongly

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Infratec R-TU clausthal curing of epoxy resins · 2020. 4. 28. · ‐clausthal.de Infrared camera: VarioCAM® HD research 800 During the curing process, a polymer with a strongly

Monitoring  the  Surface  Temperature  on Curing Epoxy Resin Samples High‐end thermography with the VarioCAM® HD research 800 

 

InfraTec GmbH 

Infrarotsensorik und Messtechnik 

Gostritzer Straße 61 – 63 

01217 Dresden / GERMANY 

Phone  +49 351 82876‐610 

Fax  +49 351 82876‐543 

E‐mail  [email protected] 

  www.InfraTec.eu 

Headquarters 

InfraTec infrared LLC 

5048 Tennyson Pkwy. 

Plano TX 75024 / USA 

Phone  +1 844‐226‐3722 (toll free) 

E‐mail  thermo@InfraTec‐infrared.com 

  www.InfraTec‐infrared.com 

USA office 

© InfraTec 01/2020 (All the stated product names and trademarks remain in property of their respective owners.)               Page 1

Epoxy resin systems are mostly used as a matrix material in fibre 

composites.  In  a  variety  of  manufacturing  processes,  the 

corresponding resin system is processed in a flowable state. The 

material only acquires its rigidity in a subsequent curing process. 

This is characterized by an exothermic chemical reaction with a 

pronounced temperature dependence. 

Clausthal University of Technology 

Institute of Applied Mechanics 

Dipl.‐Ing. Leistner, Chris;  

Prof. Dr.‐Ing. Hartmann, Stefan 

www.itm.tu‐clausthal.de 

 

Infrared camera: VarioCAM® HD research 800 

  

During  the  curing process,  a polymer with  a  strongly  cross‐linked  structure – also  called  a  thermoset –  is  formed. 

Polymers generally have low thermal conductivity. Particularly in the case of thick‐walled components, these properties 

lead to an inhomogeneous temperature distribution with hotspots. This entails the risk that the material properties of 

the polymers deteriorate, for example, their strength decreases, porosity increases, or they even ignite. In addition, the 

cross‐linking  curing  reaction  of  epoxy  resins  is  accompanied  by  a  volumetric  shrinkage  of  the material.  This  can 

sometimes cause strong mechanical residual stresses in the material, which can lead to the failure of the component 

before the actual loading. A precise numerical prediction of the temperature development in components is essential 

in order to develop suitable temperature controls in the manufacturing process of fibre composite components. 

 

The  Institute of Applied Mechanics of Clausthal University of Technology develops mathematical models based on a 

wide  range  of  experimental  studies.  These material models  reflect  the mechanical,  thermal,  and  in  this  case,  the 

chemical behaviour of the polymer. Implemented in finite element software, they enable the prediction of the process 

or  component  behaviour.  Against  the  background  of  the  aforementioned  challenges  to  process  control  in  the 

production  of  fibre  composite  components, Dipl.‐Ing.  Chris  Leistner  and  his  colleagues  at  the  Institute  of  Applied 

Mechanics, among other topics, examined the pure epoxy resin system as part of their tests. They use temperature 

measurements on epoxy resin samples during curing in order to validate the model. 

 

Self‐developed Measurement Scenario 

The curing of epoxy resin systems is often monitored by a contact temperature measurement. Temperatures inside the 

component can be recorded by thermocouples, but can only be determined locally. In addition, such methods always 

have an influence on the measurement object. Thermography systems, on the other hand, measure non‐reactive and 

provide detailed surface temperatures. This qualifies them excellently for model validation when using hot‐curing epoxy 

resin samples. 

 

"We have developed a special test setup for this application," says Dipl.‐Ing. Chris Leistner. "In addition, the geometry 

and  the  boundary  conditions  of  the  experiment must  be  specified  as  precisely  as  possible."  The  scientists  use  a 

cylindrical sample container made of aluminium as a cavity, which is filled with a previously mixed epoxy resin system 

(see Fig. 1). The heat supply required for the curing takes place via the outer surfaces of the aluminium container. To 

ensure  a  temperature  that  is  as  constant  as  possible  on  these  surfaces,  the  sample  container  is  embedded  in  an 

aluminium block preheated to a fixed temperature, which serves as a heat accumulator. Heat‐conducting paste, applied 

to the contact surfaces,  lowers the thermal transfer resistance between the two parts. The thermography system  is 

aligned at right angles to the surface of the epoxy resin sample by means of a tripod (see Fig. 1). The measurement of 

Page 2: Infratec R-TU clausthal curing of epoxy resins · 2020. 4. 28. · ‐clausthal.de Infrared camera: VarioCAM® HD research 800 During the curing process, a polymer with a strongly

Monitoring  the  Surface  Temperature  on Curing Epoxy Resin Samples High‐end thermography with the VarioCAM® HD research 800 

 

InfraTec GmbH 

Infrarotsensorik und Messtechnik 

Gostritzer Straße 61 – 63 

01217 Dresden / GERMANY 

Phone  +49 351 82876‐610 

Fax  +49 351 82876‐543 

E‐mail  [email protected] 

  www.InfraTec.eu 

Headquarters 

InfraTec infrared LLC 

5048 Tennyson Pkwy. 

Plano TX 75024 / USA 

Phone  +1 844‐226‐3722 (toll free) 

E‐mail  thermo@InfraTec‐infrared.com 

  www.InfraTec‐infrared.com 

USA office 

© InfraTec 01/2020 (All the stated product names and trademarks remain in property of their respective owners.)               Page 2

the  surface  temperature  requires  a  clear  view. Thus,  convection  and  thermal  radiation  are present as  a boundary 

condition of the surface. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 1  The test setup should ensure, firstly that 

the sample is heated evenly by the 

surrounding metal block, and secondly, 

that the infrared camera captures the 

sample surface at a vertical angle.  

1 –  Infrared camera VarioCAM® HD 

  research 800 

2 – Tripod 

3 – Heat source (tempered silicone oil 

bath with hot plate) 

4 – Epoxy sample 

5 – Aluminium cavity 

6 – Aluminium heat accumulator 

 

Before starting the thermographic temperature measurement, the researchers would like to know the emissivity of the 

surface. However, this is unknown because it can depend on the curing state of the resin. "Consequently, determining 

the emissivity would be very complex," says Dipl.‐Ing. Chris Leistner. "Instead, we apply a very thin layer of a polymer 

film with a known emissivity resistant up to 200 °C on the initially liquid epoxy resin sample. Floating on the epoxy resin 

system, the film serves as a carrier material for the TETENAL camera varnish. This has been determined by InfraTec with 

an emissivity of 0.96 in the spectral range of (8 … 14) μm and can be used up to about 200 °C." 

 

The sample prepared in this way is inserted into the aluminium block heated to 100 °C at the start of the measurement. 

The research team from Clausthal uses the VarioCAM® HD research 800 infrared camera with a 60 mm telephoto lens. 

The camera is controlled using the IRBIS® 3 infrared software from InfraTec. By applying temperature‐time profiles, the 

measurements that take place in the calibration range (‐40 … 120) °C at a frame rate of 1 Hz can be tracked in detail. 

 

Analysis of the Measured Surface Temperatures 

Due to the geometry of the cavity and the boundary conditions, Dipl.‐Ing. Chris Leistner expects an almost rotationally 

symmetrical temperature distribution over the entire test. Initial results contradict this assumption. The reason for this 

is also quickly  identified.  In order to remove the samples from the cavity  later, a release agent  is used. The thermal 

images show that the sample detaches from the container wall due to shrinkage and therefore no uniform thermal 

Page 3: Infratec R-TU clausthal curing of epoxy resins · 2020. 4. 28. · ‐clausthal.de Infrared camera: VarioCAM® HD research 800 During the curing process, a polymer with a strongly

Monitoring  the  Surface  Temperature  on Curing Epoxy Resin Samples High‐end thermography with the VarioCAM® HD research 800 

 

InfraTec GmbH 

Infrarotsensorik und Messtechnik 

Gostritzer Straße 61 – 63 

01217 Dresden / GERMANY 

Phone  +49 351 82876‐610 

Fax  +49 351 82876‐543 

E‐mail  [email protected] 

  www.InfraTec.eu 

Headquarters 

InfraTec infrared LLC 

5048 Tennyson Pkwy. 

Plano TX 75024 / USA 

Phone  +1 844‐226‐3722 (toll free) 

E‐mail  thermo@InfraTec‐infrared.com 

  www.InfraTec‐infrared.com 

USA office 

© InfraTec 01/2020 (All the stated product names and trademarks remain in property of their respective owners.)               Page 3

transfer over the wall is guaranteed. On the other hand, without the use of release agents on the inside of the container, 

the temperature distribution shows a significantly more pronounced rotational symmetry (see Fig. 2). 

 

 

Fig. 2  Comparison between tests with release agent (A) and without release agent (B) at a test time of 1,500 s 

As part of their analyses, the researchers at the Institute of Applied Mechanics initially heat the cylindrical epoxy resin 

sample starting from the outer surfaces. Due to the thermographic temperature measurement over the entire surface, 

they detect convective flows in the sample within a short time period, in which the epoxy resin system is still slightly 

viscous (see Fig. 3). These flows would be difficult to detect in point temperature measurements using thermocouples. 

The onset of  the exothermic  reaction causes  the  temperature  to  rise at an accelerated  rate, so  that  the maximum 

temperature within the sample is reached after about 1,000 s. After the sample has completely cured, it cools down 

again until it reaches a steady state. 

 

Page 4: Infratec R-TU clausthal curing of epoxy resins · 2020. 4. 28. · ‐clausthal.de Infrared camera: VarioCAM® HD research 800 During the curing process, a polymer with a strongly

Monitoring  the  Surface  Temperature  on Curing Epoxy Resin Samples High‐end thermography with the VarioCAM® HD research 800 

 

InfraTec GmbH 

Infrarotsensorik und Messtechnik 

Gostritzer Straße 61 – 63 

01217 Dresden / GERMANY 

Phone  +49 351 82876‐610 

Fax  +49 351 82876‐543 

E‐mail  [email protected] 

  www.InfraTec.eu 

Headquarters 

InfraTec infrared LLC 

5048 Tennyson Pkwy. 

Plano TX 75024 / USA 

Phone  +1 844‐226‐3722 (toll free) 

E‐mail  thermo@InfraTec‐infrared.com 

  www.InfraTec‐infrared.com 

USA office 

© InfraTec 01/2020 (All the stated product names and trademarks remain in property of their respective owners.)               Page 4

 

Fig. 3  Thermographic curing sequence of the epoxy resin system 

 

Processing of the Thermographic Data (Mapping) 

The  individual  pixel‐related  temperature  values  are  related  to  a  geometric  coordinate  system  for  the  graphic 

representation of the temperature profiles. "The starting point for this is a pixel coordinate system with X and Y axes, 

which is thought to be in the middle of an image in the stationary area of the measurement. We determine the maximum 

temperature on several radial axes,” explains Dipl.‐Ing. Chris Leistner. The aluminium surface of the sample container 

has  a  significantly  lower  emissivity  than  the  sample  itself.  Due  to  reflections  of  the  colder  environment,  lower 

temperatures are displayed in this area. Consequently, the maximum temperature on the axes defines the edge of the 

sample. By matching a circle with the searched pixels, the centre and the radius of the circle or the sample itself result. 

Page 5: Infratec R-TU clausthal curing of epoxy resins · 2020. 4. 28. · ‐clausthal.de Infrared camera: VarioCAM® HD research 800 During the curing process, a polymer with a strongly

Monitoring  the  Surface  Temperature  on Curing Epoxy Resin Samples High‐end thermography with the VarioCAM® HD research 800 

 

InfraTec GmbH 

Infrarotsensorik und Messtechnik 

Gostritzer Straße 61 – 63 

01217 Dresden / GERMANY 

Phone  +49 351 82876‐610 

Fax  +49 351 82876‐543 

E‐mail  [email protected] 

  www.InfraTec.eu 

Headquarters 

InfraTec infrared LLC 

5048 Tennyson Pkwy. 

Plano TX 75024 / USA 

Phone  +1 844‐226‐3722 (toll free) 

E‐mail  thermo@InfraTec‐infrared.com 

  www.InfraTec‐infrared.com 

USA office 

© InfraTec 01/2020 (All the stated product names and trademarks remain in property of their respective owners.)               Page 5

The  centre of  the  circle defines  the  geometric  coordinate  system  (x,  y).  The  researchers  assign  the  corresponding 

geometric coordinate to each pixel by using the ratio of the sample radius to the corresponding number of pixels. Due 

to the rotational symmetry, the temperature values can be averaged in narrow radial rings around the centre of the 

sample (see Fig. 4). 

 

 

Fig. 4  Geometric mapping of the camera pixels to geometric coordinates (left), temperature curve at three radial positions of the curing epoxy 

resin sample (right) 

 

Insights into the Temperature Behaviour of Curing Epoxy Resin Samples 

With their previous work, the researchers at Clausthal University of Technology have already laid important foundations 

for thermographic temperature measurement of  liquid materials under changing emission  levels.  It has been shown 

that infrared thermography in general, and the use of the VarioCAM® HD research 800 infrared camera in particular, 

provide detailed insights into the temperature behaviour of curing epoxy resin samples. In this way, temperatures can 

be measured almost with non‐reactive influence on the sensitive and strongly temperature‐dependent curing reaction 

in epoxy resin samples during curing. In addition, flows in the samples can be detected and boundary conditions can be 

checked.  These  findings  pave  the way  for  the  determination  of  the  thermal  transfer  coefficient  based  on  actual 

temperature data and the comparison with empirical values. 

 

Reference 

Leistner, C., Löffelholz, M., & Hartmann, S. (2019). Model validation of polymer curing processes using thermography. 

Polymer Testing, 77, 105893.